基于CO2激光焊接的高溫光纖壓力傳感器的研制

張慧君,隋廣慧

(航空工業北京長城計量測試技術研究所,北京 100095)

0 引言

近年來,光纖傳感技術作為一種新興的測試手段,受到了國內外研究機構的廣泛關注。與傳統的電學傳感器相比,光纖傳感器具有重量輕、體積小、抗電磁干擾能力強等優點,已在航空航天、石油、爆炸等多個領域中顯現出獨特的優勢[1-4]。高溫F-P 光纖壓力傳感器是基于法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)干涉原理的一類光纖傳感器[5],其動態響應高、耐溫性能好,能夠適應惡劣工作環境,可用于航空發動機高溫動態壓力的測量,為發動機的故障監測提供技術保障[6-7]。

目前,常見的高溫F-P 光纖壓力傳感器多采用高溫膠進行封裝,雖能夠滿足耐高溫的使用要求,但膠黏劑在高溫下產生的熱應力較大,且穩定性差,容易對光信號的傳輸造成影響,進而導致傳感器性能降低甚至失效。本文研制了一種基于CO2激光焊接的高溫F-P 光纖壓力傳感器,通過激光熱熔的原理將傳感器組件粘接在一起,可靠性高、性能良好,能夠實現高溫壓力的準確測量。

1 傳感器工作原理

如圖1 所示,高溫F-P 光纖壓力傳感器由敏感結構、準直管、光纖三部分組成,其材料主要成分為Si,SiO2,具有良好的耐溫特性。其工作原理是:當入射光進入光纖后,光在組成F-P 腔的多個界面上發生反射(分別為R1,R2,R3,R4),反射光之間彼此發生干涉,形成復合F-P 腔的干涉信號[8-9]。當外界壓力作用在感壓膜片時,膜片產生變形,F-P 腔的腔長隨之發生變化,進而引起干涉信號的變化。通過探測干涉信號的變化,可以解調得出外界壓力的大小。

圖1 高溫F-P 光纖壓力傳感器結構示意圖

根據彈性力學原理,傳感器的靈敏度Y為

式中:Δd為膜片的形變量,nm;ΔP為外界壓力的變化量,kPa;h為膜片的厚度,nm;E為膜片材料的楊氏模量,kPa;r為膜片的有效半徑,nm;μ為膜片材料的泊松比。膜片厚度越小,有效半徑越大,傳感器的靈敏度越高。

2 傳感器制作

2.1 敏感結構制備

傳感器的敏感結構包括感壓膜片和基底兩部分,由MEMS 工藝制備而成,如圖2 所示。主要制備過程是:在潔凈的基底表面濺射一定厚度的金屬鎳,如圖2(a)所示;在金屬鎳表面旋涂光刻膠,光刻顯影,形成F-P 腔刻蝕窗口,如圖2(b)所示;以光刻膠為刻蝕掩膜,濕法腐蝕金屬鎳,如圖2(c)所示;以光刻膠和金屬鎳為刻蝕掩膜,采用高密度等離子體刻蝕技術干法刻蝕基底,刻蝕出具有一定深度的圓形凹槽,如圖2(d)所示;將刻蝕好的基底表面進行表面處理,同時與另一基片進行鍵合,如圖2(e)所示;將上層材料進行減薄拋光,直至上層膜片的厚度及表面粗糙度達到設計要求,如圖2(f)所示。

圖2 壓力敏感結構MEMS 工藝流程

2.2 傳感器焊接

根據光纖壓力傳感器結構微小的特點,設計了具有多維調節功能、夾持功能和信號解調功能的激光焊接系統,如圖3 所示。焊接系統主要由CO2激光器、微位移平臺、CCD 顯微相機、解調儀等部分組成。其中,微位移平臺用于將光纖傳感器的各組件進行精密對準組裝;CCD 顯微相機用于對光纖傳感器的組裝和焊接過程進行顯微視頻監測;解調儀對光纖壓力傳感器返回的干涉光譜信號進行實時監測,并實時解調傳感器的腔長、對比度等參數。

圖3 激光焊接系統

利用CO2激光焊接系統對傳感器進行焊接的過程為①焊接敏感結構與準直管:將準直管和敏感結構進行精密對準,發射一定功率的CO2激光脈沖對其進行點焊預固定,之后再進行360°密封焊接,保證焊接的可靠性;②焊接準直管與光纖:將切割好的光纖穿入上述焊接后的準直管中,直至光纖端面與敏感結構底面接觸。發射一定功率的激光脈沖,對光纖與準直管進行預固定和360°密封焊接;③記錄光譜及腔長值,完成傳感器的焊接。焊接過程如圖4 所示。

圖4 傳感器激光焊接過程示意圖

激光焊接是將材料熔化粘接在一起的過程,由于光纖直徑為0.125 mm,與準直管外徑尺寸差異較大,其焊接的難點在于既要實現光纖與準直管的可靠焊接,又不能影響傳感器信號的傳輸。當設定的激光能量較小時,由于準直管管壁較厚,光纖表面吸收的能量不足以使其軟化,導致光纖無法與準直管熔融在一起;而激光能量太大時,光纖可能發生彎曲或斷裂,從而造成傳感器光譜質量下降。因此,需要對激光焊接參數(占空比和脈沖時間)進行篩選,圖5 是采用最佳參數焊接得到的傳感器實物圖。

圖5 傳感器實物圖

3 試驗結果及分析

3.1 溫度特性

將經過焊接封裝后的傳感器放入高溫檢定爐內,對其溫度特性進行測試。設置高溫爐溫度由25 ℃緩慢升至300 ℃,當溫度達到設定值時,保溫60 min,記錄傳感器在不同溫度下的光譜圖和腔長值。圖6 是傳感器在25 ℃和300 ℃下的光譜圖,可以看出傳感器在高溫下的光譜信號正常,且光譜能量沒有發生衰減。由此表明,該傳感器封裝可靠,溫度升高未對傳感器信號的有效傳輸造成影響。

圖6 傳感器光譜圖

圖7 是溫度從25 ℃升至300 ℃時的傳感器腔長-溫度變化曲線,擬合方程Y=0.000948941X2+0.43569X+19754.728,R2=0.99948。可以看出,隨著溫度的升高,傳感器的腔長值不斷增大,原因是材料的熱膨脹導致傳感器在高溫下產生了零點漂移。溫度從25 ℃升至300 ℃時,傳感器的腔長變化量為211 nm,帶來的壓力測量誤差約為86 kPa,因此在高溫測試環境中應考慮零點漂移這一影響因素。

圖7 傳感器腔長-溫度變化曲線

3.2 高溫壓力測試

利用高溫靜態壓力測試裝置對傳感器進行高溫下的壓力測試,其安裝示意圖如圖8 所示。傳感器前端的傳感頭位于高溫密封壓力管腔中,尾端連接解調儀,標準壓力發生器和高溫檢定爐分別提供標準壓力和高溫環境。當溫度到達設定值后,在當前溫度下保溫30 min,然后調節標準壓力發生器,以0.4 MPa 為一級,增加壓力至2.5 MPa,之后再調節標準壓力發生器,將壓力從2.5 MPa 減小至0 MPa,此為一個循環。重復3 個循環,記錄各壓力穩定點下的儀表輸出值,完成傳感器在該溫度下的壓力測試。

圖8 傳感器高溫壓力測試安裝示意圖

圖9 是傳感器在25 ℃和300 ℃下的腔長-壓力變化曲線,分別對其進行線性擬合,兩曲線的線性度均可達0.9999。對測試數據進行處理可得,在0～2.5 MPa 壓力范圍內,傳感器的測量誤差均小于0.2 %FS,能夠實現最高300 ℃下壓力的準確測量。

圖9 不同溫度下傳感器的腔長-壓力曲線

圖10 是傳感器壓力靈敏度隨溫度變化曲線,擬合方程為Y=0.00000066X2-0.000048X+2.51624,R2=0.99936。由圖10 可以看出,壓力靈敏度隨著溫度的升高而變大,這是由于膜片的楊氏模量在高溫下發生變化導致的[10]。隨著溫度的升高,膜片的楊氏模量減小,導致傳感器的壓力靈敏度增大。

圖10 傳感器壓力靈敏度-溫度變化曲線

綜上所述,溫度變化對傳感器的零點和壓力靈敏度均有影響。在實際測試過程中,應根據圖7 及圖10兩個擬合曲線,對傳感器進行溫度補償。

4 結論

設計了一種基于CO2激光焊接的高溫F-P 光纖壓力傳感器,研究了傳感器的制作過程及焊接工藝,并對其性能進行了測試。研究結果表明,激光焊接的方法能夠實現高溫F-P 光纖壓力傳感器的可靠封裝。且在最高溫度300 ℃下,傳感器性能穩定,在0～2.5 MPa 范圍內的測量誤差小于0.2 %FS。此外,溫度變化對傳感器的零點和壓力靈敏度均有一定的影響。為了避免由溫度帶來的測量誤差,在測試過程中需對環境溫度進行實時測量,從而對傳感器進行溫度補償。